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研究人员受蜻蜓翅膀启发,成功设计出一种廉价制造气凝胶的方法
时间:2018-05-02 09:35:25来源:材料科技在线
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提要:一个由国际科学家组成的研究团队以蜻蜓的翅膀为参考对象,制备出一种高效、低成本的高强绝热材料。这种材料是一种气凝胶,气凝胶是人类所知的最轻的多孔材料,体积与一辆家用汽车相当的气凝胶,其重量小于一千克。
研究人员受蜻蜓翅膀启发,成功设计出一种廉价制造气凝胶的方法

一个由国际科学家组成的研究团队以蜻蜓的翅膀为参考对象,制备出一种高效、低成本的高强绝热材料。这种材料是一种气凝胶,气凝胶是人类所知的最轻的多孔材料,体积与一辆家用汽车相当的气凝胶,其重量小于一千克

气凝胶由具类似于果冻的湿硅胶制成,经过多道工序地干燥后变得多孔且高强度。但到目前为止,去除水分而不破坏精细的二氧化硅结构的工艺十分复杂,且成本很高。因此,气凝胶只能用在一些有特殊要求、高度专业的任务上,例如收集太空星尘。

英国纽卡斯尔大学领导的一个专家小组最近通过模仿蜻蜓展开翅膀的过程,成功地设计出一种廉价地制造气凝胶的工艺方法。他们使用苏打碳酸氢盐(同样用于制作蛋糕)来“吹”出水分子,将二氧化碳气体吸入孔中,而不是采用传统的方法,在高温高压下干燥二氧化硅

他们的研究结果发布在学术期刊Advanced Materials上,该团队表示,他们下一步将会进行延展,以生产出可以用于房子建筑的气凝胶板材

LidijaŠiller博士是纽卡斯尔大学一名纳米材料科学家,他与纽卡斯尔大学的同事肖汉博士,哈利勒哈桑以及阿德里安奥拉博士一起进行这项研究,并共同发表了这篇论文,他说:“这一发现在减少能源使用和减少能源费用方面的潜力非常令人兴奋。气凝胶是一种令人惊叹的材料 ,安全且轻便,隔热性能是我们目前使用的绝热材料的十倍 ,但直到现在,我们大多数人都无法接触它们,因为它们制作起来非常昂贵而我们的研究目标就是让它们走向大规模应用。”

生物仿生

波斯尼亚的黑塞哥维那国家博物馆的Dejan Kulijer说道:“蜻蜓属于蜻蜓目,这些古老的昆虫在恐龙出现之前就已经存在很长时间。它们是最古老的昆虫群之一,其中包括有史以来生活过的最大的昆虫 - Griffenfly - 翼展超过70厘米。它们的翅膀是一种类似于气凝胶的多孔分层结构,它们十分强壮且轻便,它能让昆虫以30公里每小时飞行。”

Šiller博士说;“蜻蜓的翅膀是一种超轻型气凝胶 - 占昆虫总体重的不到2% - 然而它们非常强壮,可以让昆虫在海洋和大陆之间数千英里的地方飞行。蜻蜓的大部分生命周期以幼虫阶段(从30天到几年不等)在水下度过,从幼虫到成虫的蜕变是形态学和生理学上的不可逆转变化,蜕变时间持续20分钟到几个小时不等,取决于物种。当蜻蜓从幼虫中脱壳而出时,它的翅膀像果冻一样,但在很短的时间内会膨胀变硬并变得完全干燥。他们的身体会产生碳酸氢盐分子,释放二氧化碳气体,调节身体压力并同时干燥翅膀,这会”吹出“水分,让它们的翅膀变得干燥,稳定,轻盈且结实。我们在实验室中在气凝胶上复制了这个过程,室温下采用碳酸氢钠将水分吹出。”

理想绝热体

气凝胶最早是在1931年被发现。通常密度约为0.1g / cm3,95%的体积是空气,它们的导热系数与真空板相近,所以它们是理想的隔热材料,不仅能保暖,还能保持家居凉爽。它们的绝热性和抗老化,防潮和高强坚固等性能使其成为理想的建筑物材料,但到目前为止,高昂的生产成本限制了它们的使用。

该团队通过在硅胶中加入碳酸氢盐溶剂,并采用新颖的化学反应过程产生二氧化碳从内向外干燥凝胶。 同时,二氧化碳被锁在精密的孔质结构中,防止了气凝胶的塌陷。

纽卡斯尔大学萧涵博士表示,这项新技术将使生产成本降低96%,从每公斤100美元左右降至4美元。

他说:“像蜻蜓的翅膀一样,我们的气凝胶材料是由超薄二氧化硅层组成的,这意味着我们可以创建一个更坚固的结构。我们下一步计划是扩大生产,将其用于住房和建筑物,以帮助减少我们的能源消耗,减少浪费。”

文章来源于sciencedaily,原文题目:World's oldest insect inspires a new generation of aerogels,由材料科技团队整理编辑。

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